автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Принципы обоснования зональной системы машин в животнодстве

^ г,

О - " РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЛЪСлиХиЗлЛСТйШМ НАУК

- Сибирское отделение

Сибирский научно-исследовательский институт механизации к электрификации сельского хозяйства

На правах рукописи

Стремнин Валентин Алексеевич

ИРШцЩа ОсОСНО^А№'1Н ЙиЬАлЬЫМ ШСТйМа йАШйН а МСОТЙОЙОДОТсй

Специальность: 0о.<:0.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства

Диссертация в виде научного доклана на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 19Уэ

Работа выполнена в Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СибМЭ) СО РАСХН.

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки и

техники PQ, чл.-корр.академии инженерных наук, доктор технических наук, профессор й.И.Земсков

- заслуженный деятель науки и техники Бурятии, доктор технических наук, профессор и.М.Хамеев

- доктор технических наук, профессор А.Е.Кузьмин

¿ецушая организация - Сибирский ордена "Знак почета"

научно-исследовательский и проектно-технологический институт животноводства (СибНШШШ

Защита состоится " 2.Q " <Pg/c'о8рй 1995 г. в 9 часов на заседании диссертациокюгс совета Д 020.03.01 в Сибирском научно-исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (СибШЭ) по адресу: 633128, г. Новосибирск, п.Краснообск, СибИМЭ.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в цНСХБ СО Россельхозакадемии.

Отзыв на диссертацию в виде научного доклада в двух экземплярах, заверенный печатью,просим направлять в адрес диссертационного совета.

диссертация в виде научного

доклада разослана " 3 п

199э г.

Ученый секретарь диссеоташонного совета

А.Е.Немцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Система машин является основой технической политики отрасли, определяет направление развития техники и прогрессивных технологий, служит программным документом создания и производства машин и оборудования.

Исследования по разработке системы малин ведутся в нашей стране на протяжении ряда лет под методическим руководством РАСХН. ^ настоящее время необходимость в проведении этой работы получила особую остроту в связи с реорганизацией производства, возникновением Фермерских хозяйств и рыночных отношений. В этих условиях решение задач по обоснованию системы машин требует применения новых принципов и методов исследования.

Систему машин в животноводстве можно, с позиций системного подхода, рассматривать как биотехническую - "человек-машина-жи-вотное-среца". Алгоритм управление в такой системе, как правило, носит вероятностный характер, а эффективность ее работы зависит прежде всего от того, насколько оптимальны связи и взаимодействия между ее элементами. Рациональное взаимодействие рассмотренных элементов системы открывает новые возможности в повышении ее эффективности на 15-20%, а иногда и более, позволяет полнее использовать генетический потенциал животного и возможности человека, и машины в конкретных условиях эксплуатации. Однако в известных нам методических разработках этот вопрос в такой постановке применительно к системе машин не рассматривался. Поэтому разработка методических принципов обоснования системы машин с учетом рассмотренных позиций является актуальной научно-технической проблемой и имеет большое научное и практическое значение.

Цель работы - повышение эффективности производства продукции в животноводстве за счет разработки и применения новых принципов при обосновании системы машин.

Объект исследования - процесс (формирования системы машин при взаимодействии человека, машины и животного как взаимосвязанных элементов.

Научная новизна заключается в разработке методологии и принципов обоснования системы машин в животноводстве как биотехнической системы "человек-машина животное-среда" с учетом вероятностного состояния и надежности ее элементов, в разработке классификации систем машин поточно-технологических линий в животноводстве и математических моделей оценки их эффективнос-

ти и в решении на этой основе важной народнохозяйственной задачи - повышения эффективности Функционирования и сокращения номенклатуры технических средств системы.

На защиту выносятся: классификация систем машин поточно-технологических линий в животноводстве и модели оценки их эффективности; модели оценки эффективности функционирования систем машин поточно-технологических линий и биотехнических систем в животноводстве с помощью показателя эффективности; математическая модель оценки эффективности биотехнического объекта с учетом производительности и надежности не только его технического звена, но также оператора и животных как элементов системы; принципы обоснования системы машин.

Реализация результатов. Материалы исследования были использованы головным институтом ВИЭСХ при разработке общесоюзной системы машин для комплексной механизации животноводства на 1981-1990 гг. и системы машин на 1986-1995 гг., а также Сибирским институтом механизации и электрификации при разработке зональных систем для Западной и Восточной Сибири на период 1981-1965 и 1991-1995 гг. /15,19,21,27,29,37,50/.

Материалы исследования были также положены в основу методики по обоснованию и прогнозированию системы машин в животноводстве, изданной СО ВАСХШй в форме методических рекомендаций .для использования специалистами региона при обосновании зональной системы машин. Некоторые результаты вошли в систему ведения животноводства Новосибирской области и Западной Сибири /46,48/.

Отдельные методические положения работы нашли отражение в методических указаниях по проведению исследований на 1986-1990 гг. по заданию 01.04 Д "Разработать и внедрить перспективные системы машинных технологических процессов и технических средств для завершения комплексной механизации растениеводства и животноводства" научно-технической программы 0.51.12 и методических указаниях проведения исследований в 1986-1990 гг. по разработке прогноза основных направлений развития комплексной механизации и автоматизации животноводства и птицеводства на период до 2010 г..изданных головным институтом ЗИоС" и Агропромом СССР /16,31,33/.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная методология и принципы обоснования системы машин в животноводстве позволяют объективно решать вопросы по разработке системы машин, вопросы обеспечения необходимого уровня надежности систем машин и их элементов; увеличивать

продуктивность животных; повышать производительность труда и эффективность функционирования систем; сокращать номенклатуру технических средств в системе; предъявлять обоснованные требования я уровню квалификации оператора, обслуживающего машины; более объективно подходить к оценке зональных особенностей при обосновании системы машин.

Работа проводилась в рамках всесоюзных заданий 16.09 и О.схЛ02 MGX СССР по темам, связанным с разработкой прогноза и системы машин на разные периоды, ответственным исполнителем и научным руководителем которых в период с 1976 г. и по настоящее время является автор.

Основные из этих тем:

16.09.17 (Per. № 78006927; Кнв.№ Б908075),

16.09.02.02 (Per. № 78006935; Инв. № 748976), 16.09.01.03.15 (Per. № 78006926; Инв. № Б854748),

16.09.02.03 (Per. № 78006938; Инв. № 981269), О.сх. 102.01.01 (С) (Per. № 01.83.00.36989;

Инв. № 0284.0011032),

О.сх.102.01.03.04 (С)(Per. № 01.83.0036989; Инв. № 0284.0071202),

О.сх.102.01.03 (С) (Per. f 01.83.0036968; Инв. № 02.84.0070997),

О.сх. 102.02 (С) (Per. № 01.83.00396976; Инв. № 02.84.0071026),

О.сх.102.01.03.05 (Per. f 01.84.0070695; Инв. № 02.86.0004617),

О.сх.71.10 д1 (Per. № 0IB900I39I6).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались в 1986-199I гг. на отчетных конференциях по механизации животноводства и системе машин во ВНИИШ по заданиям 16.09 и О.сх. 102 МСХ. СССР (г. Подольск); в 1986, 1988 гг. на координационном совещании по системе машин в животноводстве во ¿ШПБ'ШЗСХ НЗ (г. Ленинград); в 1986 г. на координационном совещании по системе машин и механизации животноводства в ЯкутНИИСХ (г. Якутск); в 1986 г. на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса" в СО АН СССР, секция "Машиностроение Сибири" (г. Ново-

сибирск); в 1985 г. на Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса" в СО АН СССР, секция "Биологические ресурсы и сельскохозяйственное производство" (г. Новосибирск); в 1979-1993 гг. на заседаниях ученого совета СибИМЭ; в 1980, 1985, 1990 гг. на заседаниях координационного совета в ШЭСХ (г. Москва); в 1979 г. в Ташкенте, в 1989 г. в Киеве, в 1987 г. в Запорожье; в 19771982 гг. на региональных совещаниях Сибири и Дальнего Востока в СО ВАСХНШ1 (г. Новосибирск).

Разработки, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора, отмечены четырьмя бронзовыми и одной серебряной: медалями йдНХ СССР (1980, 1990 гг.), а за разработку по механизации малых ферм присуждено второе призовое место на республиканском конкурсе в 1991 г. (г. Москва).

Публикации. По теме исследования опубликовано 90 печатных работ в изданиях СибИМЭ, СО ВАСХНИЯ, СО РАСХН, ШЭСХ, ШИИШ, УпИШЭСК, СибНШШЖ, СО АН СССР, в изд. стандартов, "Колос", отечественных журналах и региональных издательствах.

Наряду со статьями и другими формами изданий в число публикаций входят 6 книг, I монография, 6 изобретений. Список основных публикаций, объем которых составляет более 50 печатных листов, приведен в конце работы.

ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙ ПРОЕИШЫ ИСОЩОВАНШ

В нашей стране накоплен значительный опыт в области формирования систем машин для комплексной механизации растениеводства и животноводства.

Активное участие в разработке системы машин принимают такие научные учреждения, как ШМ, ВИЭСХ, ВНИШИМЭСХ, СибИМЭ, УШИМЭСХ, ЦНИИМЗСХ*, ДВНИИСХ, ВНШСМ, ЛСХЙ, БНИИШ, СибНШГЖ, ЧИМЭСХ и ряд других.

Большой вклад в создание теоретических основ формирования системы машин внесли Л.П.Кормановский, Н.В.Краснощеков, Н.М.Морозов, Ь.И.Сыроватка, В.Ы.Бейлис, В.А.Голиков, Б.Д.Докин, Б.И.Каш-пура, И.П.Ксеневич, В.А.Кубышев, Э.М.Липкович, А.Н.Йерерва, В.М.Рабштына, й.м.Севернев, И.ПЛерских, Э.А.Финн, Г.Е.Чепурин, А.Н.Черепахин, А.А.Эйдис и др.

Большое число работ посвящено исследованиям по обоснованию системы машин для животноводства. Из них наибольшее значение име-

ют работы Л.П.Кормановского, Н.З.Краснощекова, Н.М.Морозова, В.И.Сыроватки, А.А.Артшина, Н.А.Босого, Е.А.Гуртовника, В.И.Едем-ского, К.И.Жукевича, В.И.Земскош, Л.П.Карташова, Е.М.Клычева, А.Е.Кузьмина, Е.В.Мельникова, Ю.А.Морозова, В.С.Мкртумяна, ¡O.A. Симарева, И.А.Хозяева, В.Ы.Хамеева, Ю.А.Цоя и др.

Благодаря усилиям этих ученых разработаны теоретические основы функционирования и надежности машин в животноводстве, созданы методы оценки эффективности их работы, разработаны экономико-математические модели обоснования системы машин для комплексной механизации животноводства, решен целый ряд .других задач по обоснованию системы машин в животноводстве.

Разработанные .ранее системы машин сыграли значительную положительную роль в деле достижения существующего уровня механизации с.-х. производства, но они в настоящее время не в полной мере отвечают возросшим требованиям. Следует также отметить, что исследований, направленных на рассмотрение научных основ и принципов обоснования системы машин в животноводстве,провоцится еще мало, а существующая методология еще не в полной мере опирается на общесистемную методологию. Согласно этой методологии система - это целостное взаимодействие взаимосвязанных элементов. В животноводстве это взаимодействие выступает в виде системы "оператор-машина-животное-среда", образуя многоуровневую биотехническую систему (о-м-ж-с). Особенностью этой системы является то, что элемент системы - животное - здесь выступает как предает труда (подвержено выращиванию, откорму) и как средство труда (обеспечивает продуцирование молока, прирост живой массы,).

Если в процессе функционирования такой системы возникают отклонения, которые выходят за допустимые пределы и могут привести к повреждению (например, травматизму животных), то последние считаются отказом. Поэтому понятие эффективности системы (о-м-ж-с) так или иначе связано с надежностью системы и ее элементов и носит временной характер.

Решению отдельных вопросов функционирования этих систем посвящены работы Л.П.Кормановского, Л.П.Карташова, Н.Н.Виноградовой, И.Н.Краснова, Э.И.Келписа, Я.И.Фененко и ряда других ученых.

Известны лишь две работы, в которых рассматривается комплексное изучение элементов биотехнической системы применительно к научному обоснованию методов расчета их надежности (З.С.Мкртумян, И.А.Хозяев).

Работ, посвященных комплексному изучению систем (о-м-ж-с) применительно к разработке принципов обоснования системы машин в животноводстве, нами не обнаружено.

В настоящее время отсутствуют четкие принципы выбора или обоснования таких систем, поэтому основная направленность работы состоит в разработке научно-методических принципов обоснования системы машин в животноводстве, в раскрытии взаимодействия элементов системы и разработке предложений в перспективную систему машин с целью повышения эффективности производства продукции животноводства.

Задачи исследования:

1. Разработать теоретические основы исследований структуры и оценки эффективности функционирования систем машин поточно-технологических линий в животноводстве.

2. Установить взаимосвязь мевду элементами системы "человек-машина-животное" и разработать математические модели оценки эффективности функционирования биологического звена.

3. Сформулировать принципы обоснования системы машин и на их основе разработать систему машин .для животноводства Сибири,

4. Определить эффективность реализации основных результатов исследования.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ МАШИН ГОТОЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

1.1. Иерархичность системы машин в животноводстве

Животноводческий комплекс, <*ерма или отдельный технологический процесс при анализе могут быть представлены в виде сложных многоуровневых динамических систем, которые имеют иерархическую структуру и состоят из ряда подсистем, включающих совокупность составляющих их машин-элементов /35/.

Под структурой системы понимается сеть отношений, т.е. определенная упорядоченность связей между ее элементами, й любой структуризованной системе объектами являются элементы и связи мевду ними. При этом предусматривается, что элемент в пределах сохранения определенного качества системы машин далее неделим.

Исходя из этого,, систему машин в животноводстве можно представить как систему с ветвящейся иерархической структурой, имеющей четыре ступени иерархии: первый уровень - системы для выпол-

нения технологических процессов; второй уровень - системы машин .для отраслей животноводства; третий - система машин .для зоны или региона; четвертый уровень - система машин .для федерации или страны (рис.1).

Иерархичность системы машин в животноводстве означает, что каждый ее компонент, в свою очередь, может рассматриваться как самостоятельная система, а сама она является лишь одним из компонентов системы более высокого порядка.

В соответствии с общей теорией множеств система машин для комплексной механизации животноводства, как состоящая из конечного множества элементов, может быть отнесена к конечным множествам.

Отдельные уровни иерархической системы представляют собой подмножества этого множества. При этом подмножества более высокого уровня включают в себя подмножества, стоящие ниже.

Для первого уровня иерархии в общем случае справедливо выражение:

Однако элементы, входящие в систему первого уровня иерархии, неоднородны как по характеру выполняемых операций, так и по внутренней структуре. Поэтому к системе .для выполнения процесса доения Х.т будут относиться элементы, принадлежащие только этому

г,//^ ЪГ'^а

Рис. I. Распределение элементов системы по уровням иерархии

множеству, т.е.

Х/А=Х^АиХ/-2ди-Х/ЗДа..иХ/-л7д . СП

Множеству или системе для приготовления кормов будут принадлежать элементы только этого множества:

^¡пк-ХуЧлк11 Х;2лки Здзлки., .иЭОу-гпПК ■

Таких выражений будет столько, сколько имеется процессов на первом уровне иерархии.

На втором уровне будет также разделение элементов множества первого уровня по множествам, объединяющим отрасли. При этом множества, объединяющие элементы по отдельным процессам,будут пересекаться при объединении их в множества, принадлежащие какой-либо отрасли второго уровня.

Отсюда следует, что поведение систем, образованных этими множествами, и подходы к их анализу и изучению могут быть различными. Однако ясно, что основу систем второго уровня иерархии будут составлять системы машин для процессов. И от того, насколько хорошо система первого уровня будет организована и представлена, будет зависеть поведение систем всех уровней иерархии. Поэтому в основу изучения должны быть положены системы первого уровня, т.е. системы машин .для выполнения процессов.

3 системах с иерархической структурой выходной эйфект зависит от совокупности состояний выходных элементов. Если каждый элемент будет находиться только в двухуровневых состояниях, т.е. в рабочем и нерабочем С бинарные элементы), то формула эффективности системы будет иметь вид:

где 8 - выходный эффект системы за данный интервал времени;

- вероятность безотказной работы системы к моменту времени (~Ь).

1.2. Классификация систем машин поточно-технологических линий в животноводстве

Технология производства конечного продукта в животноводстве распадается на ряд технологических линий, каждая из которых характеризуется особым предметом труда или видом продукции.

Поскольку основу системы машин второго уровня иерархии составляют системы для технологических процессов, рассмотрим их структуру более подробно. Системы машин для реализации технологических процессов образуют поточно-технологические линии, которые

лю С.З.Мельникову) представляю!' совокупность расставленных в эпре.деленной последовательности машин, а также животноводческих помещений и инженерно-структурных сооружений, обеспечивающих по-точно-нзпрерывное или цикличное выполнение процесса.

3 кадцом конкретном случае эти системы в зависимости от функционального назначения могут иметь самое различное структурное отображение. Анализ их структуры показывает, что все они могут быть классифицированы следующим образом (рис. 2) /30/.

1. Простые системы, которые шам ъ сзсем составе одну технологическую линию с жесткой или гибкой связью (чапример, система для удаления навоза).

2. Сложные ветвящиеся систеш с о.днорол-юй структурой элементов в линиях (например, доильные малины).

3. Сложные ветвящиеся системы, в которых технологические линии отличаются как по структуре входящих з них элементов, так и по выполняемым ими функциям (например, системы для приготовления кормов).

Машины в рассматриваемых системах могут быть разбиты на два больших класса: машины, непосредственно связанные с биологическим звеном (таких примерно 60%), и'машины непосредственно не связанные с биологическим звеном при выполнения технологического процесса. Первые, как правило, образуют биотехнические систеглы "оператор-машина-животное-среда", вторые - технические системы. Тазе или иначе, эти системы тесно связана, и в целом животноводческий комплекс можно рассматривать как биотехническую систему, реализуемую в конкретных поточно-технологических линиях /13,18,55/.

Ряс. 2. Структурное отображение систем машин поточно -гехнологиче ских линий: а - одноФункшональная простая система с жесткой связью элементов; б - ветвящаяся система с однородными элементам;;; в - ветвящаяся система с неодносозныгля элементами

Качество функционирования любой системы можно количественно оценить эффективностью функционирования, показателем эффективности функционирования и выходным эффектом (теоретической производительностью за установленный интервал времени).

В общем случае система может быть оценена эффективностью функционирования, которая является интегральной функцией выходного эффекта и надежности системы и, следовательно, носит вероятностный характер. Система за счет простоев или перехода в другое состояние недодаст на выходе некоторое количество конечного продуктами эффективность ее функционирования будет выражаться формулой:

где (22с — Фш<ТИ11еская эффективность функционирования системы; (^Т - теоретическая эффективность системы, т.е. эффективность при отсутствии отказов (идеальная система); (22/7 - потери или недополученный из системы продукт. Удобно перейти от эффективности функционирования к показателю эффективности:

Показатель эффективности является количественной мерой, представляющей отношение эффективности функционирования реальной и идеальной систем.

Показатель эффективности характеризует степень приближения системы к выполнению поставленной перед ней задачи в функции времени.

Простые с. истемы имеют в своем составе одну технологическую линию и представляют собой совокупность последовательно соединенных элементов С см.рис.2). В такой системе отказ любого из элементов приводит к отказу всей системы. Для большинства таких систем в животноводстве имеет место экспоненциальный закон распределения времени между отказами. Для этого случал бу-

(4)

(5)

1.3. Модели оценки эффективности систем в животноводстве

у А^ - параметр потока отказов системы; ^ Л,- - параметр потока отказов элемента;

& - выходной эффект системы; П - число элементов системы.

Эффективность функционирования такой системы к моменту времени Ь будет выражаться формулой:

= # О- е°ь) С7)

О с

К простым системам относятся в основном такие технологические линии, которые не резервируются С системы для удаления навоза, для раздачи корма и др.).

Ветвящиеся с истемы с однородной структурой элементов. Особенностью этих систем является то, что в них каждый элемент вносит определенную и независимую долю в общий выходной эффект системы. 3 таких системах элементы;хотя и соединены параллельно, не резервируют друг .друга при отказах, появление которых приводит не к полной остановке системы, а лишь к некоторому ухудшению эффективности ее работы. Общий вид Формулы .для определения эффективности функционирования таких систем имеет вид:

, (8)

где (t ) - вероятность безотказной работы I -й ветви (элемента) системы; & - выходной эффект ветви (элемента); П - число ветвей Сэлементов1.

Эффективность функционирования системы к моменту времени Ь выражается формулой:

1 /- > -А.; t

¿1 £-/ ¿=7

где -параметр потока отказов ¿' - й ветви (элемента) системы;

Г) - число ветвей (элементов);

- выходной эффект ветви (элемента).

ветвящиеся системы с неоднородной структурой элементов. Оценка эффективности функционирования систем с ветвящейся структурой, в которых ветви неоднородны как по структуре входящих в них элементов, так и по выполняемым ими функциям, представляет определенную трудность. Для таких систем характерно то обстоятельство, что одну и ту же задачу они могут выполнять разными способами, характеризую-

щимися различным выходным эффектом и, следовательно, различными показателями эффективности /18,32,37,55/.

В общем случае система может находиться в 2 возможных состояниях, при этом эффективность функционирования ее для любого из состояний описывается Формулой:

2-I "-о >

где Л^ - выходной эффект системы в Z¿ -м состоянии;

О _ - вероятность безотказной работы системы в Z¿ -м состояла

° нии.

Эффективность функционирования системы к моменту времени Ь определяется по уравнению:

[к^ & - СП)

о &

Учитывал, что дая большинства систем в животноводстве поток отказов подчиняется закону Пуассона, уравнение (II) можно привести к виду:

№-/&• Ф'1)

(12)

о"

или . ,

? О-

Решение уравнения (13) имеет вид:

(13)

(14)

где ,Х2- ~ параметр потока отказов системы в 2/ и -м

и состояниях; К^ , - выходной эффект системы в и -м состоя? ^ ниях.

Результаты расчетов по описанным моделям выражаются в единицах производительности по выходу из систем различного продукта или материала.

Модель оценки эффективности животноводческого объекта или фермы как сложной системы.

Из теории надежности известно, что показатель надежности многофункциональной системы может быть представлен как "взвешенная" сумма показателей надежности выполнения отдельных задач или функций, т.е. т

ста

где (£) - надежность систем в о -м состоянии или показатель надежности выполнения отдельных задач; л/6" - коэффициент важности задачи; т - число подсистем \1 =1,2, . ..,/77 ). По аналогии с формулой (15) можно считать, что показатель эффективности многофункциональной системы может быть представлен как "взвешенная" сумма показателей эффективности отдельных подсистем.

----сю

Е^

где - коэФфиииент важности задачи, выполняемой с -й технологической линией; С-С*)- показатель эффективности о -й технологической линии на установленном интервале времени (0^ С < I). Формула (16) позволяет дать сравнительную оценку эффективности сложных систем одного и того же Функционального назначения на Фиксированном интервале времени с различной структурой входящих в них элементов.

Она пригодна также после несложных преобразований .для расчета эффективности функционирование многооперационных комбинированных агрегатов:

с №)-{гР(сТ^Ес^), »'>

о —/

где К, - число операций;

Р - надежность оператора;

Сг- показатель эффективности энергетической машины; С»— показатель эффективности машин на 6 -й операции.

Л Такой агрегат с автоматизированными сцепками .для смены рабочих органов предложен наш. Он обеспечивает снижение затрат труда на 30-40% и капитальных затрат - почти в 2 раза по сравнению с базовыми вариантами /57,53,04:/.

1.4. Оценка уровня надежности системы малин при заданном значении показателя эффективности Из моделей эффективности систем видно, что все они содержат показатель надежности в виде параметра потока отказов. Зти модели позволяют рассчитать фактическую производительность и показатель эффективности при известной надежности системы и составляющих ее элементов. Но может быть и обратная задача, заключающаяся в том, чтобы обеспечить необходимый уровень надежности системы, не допуская ушерба от ее простоя по неисправностям сверх установленного нормативными требованиями. При известной теоретической эффективности функционирования системы рассчитываются потери системы при разной .длительности простоя /13,26,55/.

По моделям, рассмотренным ранее, определяются значения эффективности функционирования и показатель эффективности при разном значении параметра потока отказов и разной продолжительности работы системы Срис. 3). Установлено, что пля кормоприготовитель-ных систем необходимо иметь показатель эффективности функционирования не ниже 0,83 при параметре потока отказов, системы не выше 0,35, .для систем доения и кормораздачи 0,93 и 0,87 и 0,16-0,2 соответственно.

Рис. 3. Зависимость показателя эффективности системы от параметра потока отказов: С - показатель эффективности системы; Д. - параметр потока отказов системы; 1-2-3-4-5-6-грайики измерения параметра потока при продолжительности работы системы 1,2,3,4,5,6 ч

параметр потока отказов, или уровень надежности отдельных машин, корректируется з соответствии с параметром потока отказов системы, с учетсэ за-гности и места машины в системе.

-.о. оптимизация структуры систем с учетом параметра потека отказов

В предыдущем разделе нами было показано, что параметр потока отказов системы и эффективность функцжониравани» определяют друг друга, т.е. для любого Фиксированного момента времени каждому значению эффективности функционирования (показателю э(Мективнос-ти^ соответствует определенный параметр потока отказов системы. Показатель эффективности животноводческих ферм представляет собой средневзвешенную сумму показателей эффективности составлявших систем или подсистем технологических линий, реализующих технологические процессы на ферме /14,18,29,30,32,55/.

С учетом отмеченного нами делаете? попытка с помощью экономико-математических методов обосновать оптимальный состав этих подсистем, т.е. выбрать для них оптимальные комплекты машин. Существо задачи в обобщенном виде заключается в следующем. Для выполнения любого из рассмотренных на ферме процессов (приготовление кормов, доение, раздача кормов и т.д.) требуется механизировать К технологических линий, на которых предусматривается выполнением операций. Для выполнения каждой операции можно назначить одну или несколько из п имеющихся типов машин, технико-экономические характеристики которых известны. Известны также объемы работ по каждой технологической операции. Необходимо выбрать такой комплект машин, который выполнял бы заданный объем работ по технологическим линиям в установленное зоотехническими, зоологическими V. организационными требованиями время, при минимальных приведенных затратах и определенных ограничениях по эксплуатационной надежности технологических линяй, -даева." функция при этом будет иметь вид:

где п . . веской линии;

К - коли^есгэо т^.нолог.г-'еских линий;

п - количестзо гипса ма^ин, предназначенных дл" выполнения I -й эпергежг и ¿?-й технологической линии;

т /> к

^ .. - приведенные затраты по ] -й машине при выполнении с -й

операции в £ -й технологической линии; ^ес/ ~ количество у -ас машин для выполнения работ по о -й операции в ё -й технологической линии. Введем ограничения по объему работ:

£оЪу'Те1'Сеу (19)

где - объем работ по I -й операции в € -й технологической линии;

(2/ - показатель эффективном« j -й машины на ¿ -й опера-^ ции в'^-й технологической линии;

- суммарный фонд времени на выполнение ¿ -й операции > в £ -й технологической линии, обусловленный зоотехническими и организационными требованиями; ^еу - производительность J -й машины за I ч чистого времени на I -й операции в С -й технологической линии. Ограничения по надежности технологических линий можно записать в виде выражения: л? К п

Ш. ТАеЦ'^-гы ^Хдо«., (20)

¿=/ еч

где Х.до'». - допустимый параметр потока отказов системы;

Хеу - параметр потока отказов,/' -й машины при выполнении

о -й операции в € -Л технологической линии. Допустимый параметр потока отказов выбирается по принятому показателю эффективности, численное значение которого, в свою очередь, ограничивается величиной потерь в системе.

Ограничения по согласованности выполнения операций в технологических линиях:

ПсОе£у Хес/ . (21)

Условие неотрицательности переменных:

¿=/,2,...пп; ^2...л;

Правомерность включения показателя ¿¿¿у в формулу (19) обусловлена тем, что производительность (эффективность) машин и систем значительно отличается от теоретической или паспортной.

Если в модели учитывать коэффициент готовности, а не параметр потока отказов, то система должна выдать такое количество

корма, которое будет пропорционально времени ее работа и коэффициенту готовности (рис. 4, кривая I). Фактически же, с учетом параметра потока отказов, система снижает своп эффективность (см. кривые 2, 3), что ведет к задержке кормления животных и, как следствие, к снижению их продуктивности.

Рис. 4. Эффективность функционирования системы кормо-приготовительных машин: I - теоретическая (паспортная) эффективность; 2 - эффективность, рассчитанная по модели оптимизации"; 3 - Фактическая эффективность функционирования реальной системы

о, г

«

30

/

А

А/ / 3

у у

1 2 3 {,ч

После выбора структуры системы по моделям оптимизации необходимо проверить, выполняет ли эта система поставленную перед ней задачу за определенный временной цикл. Зто можно сделать путем расчета показателя эффективности системы и ее подсистем по рассмотренным ранее моделям.

Способом перебора различных вариантов систем технологических машин можно подобрать систему с показателем эффективности, близким к единице, т.е. такую, которая выполнит поставленную перед ней задачу с минимальными потерями и в установленный срок.

1.6. Оценка ущерба от ненадежной работы системы

Необходимость углубления знаний в этой области можно объяснить тем, что во многих методических указаниях по оценке экономической эффективности сельскохозяйственных машин вообще, и животноводческих в частности, потери из-за отказов не учитываются. Формулы или модели расчета ущерба от снижения эффективности в каждом конкретном случае могут быть различными, но всегда представляют интегральную функцию от производительности и надежности /35,38,61/.

Вероятный ущерб из-за отказов системы с учетом минимально безопасного времени простоя, т.е. временипосле которого начнется

19

отсчет ущерба,может быть вычислен по формуле: t Г У / -лЬтак

Се=Щ^г(е У Bar], Ж

где t - наработка системы;

Т - наработка системы на отказ;

У - предполагаемый ущерб от простоя системы в течение часа;

s**- - интенсивность устранения отказов; tg н fcmáx. - допустимое и максимальное время устранения отказов;

Зот- средняя величина затрат на устранение одного отказа. При известной теоретической и фактической эффективности или производительности системы ущерб можно вычислить по Формуле:

где П - ушерб от снижения эффективности работы системы из-за отказов;

(Q^Qq теоретическая и фактическая эффективность (производительность) системы, например, число выдоенных коров;

- потери продуктивности животного вследствие отказов системы;

К - кратность работы системы;

Jb

- разовая продуктивность животного (например, надой); £ - реализационная оценка единицы продукции.

Формулу (23) можно выразить через показатель эффективности системы:

r¡**N(j-C)#2>.K-R.. (24)

Для случая, когда потери рассчитываются на длительном интервале времени, например, при работе в течение года, имеем:

T¿K [G-Ш (!- С) +3o г j, < ■25)

где ¡г - годовой фонд рабочего времени системы, ч; X - параметр потока отказов системы; N - поголовье животных; Q- - продуктивность животного;

- цена единицы продукции; Зот- средняя величина затрат на устранение одного отказа. Ущерб или потери зависят от большого числа факторов, таких как молочная продуктивность, технология содержания, рационы корм-

20

дешя, время года, породы животных. Известно, что по причине ненадежной работы, например, доильных машин и связанной с ней преждевременной выбраковкой коров теряется около 105? валового надоя молока.

2. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕВДУ ЭЛЕМЕНТАМИ СИСТЕМЫ "ЧШВЖ-ШШНА-ШВОТНОЕ" И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗВЕНА

2.1. Человек-оператор как элемент биотехнической системы

Установлено, что примерно 20-30$ отказов систем связано прямо или косвенно с ошибками или отказами челозека. Отказом считается такое состояние, при котором оператор не может выполнить требуемых функций из-за переутомления, недостаточной квалификации, временной утраты работоспособности и т.д. /2,5,7/.

Различают три типа отказов: временно неустойчивый (ошибка), временно устойчивый (из-за болезни человека, приводящей к потере работоспособности) и окончательный отказ (фактически необратимые для конкретного человека изменения его функционального состояния, при которых невозможна трудовая деятельность).

Чаще всего встречаются отказы первого типа, т.е. ошибки.

Под надежностью оператора понимается его свойство качественно выполнять трудовую деятельность в течение определенного времени при заданных условиях.

В основе надежности оператора лежит понятие ошибки, под которой понимается любое нарушение предписанного оператору алгоритма деятельности.

Оценка степени влияния профессионального уровня оператора на эффективность функционирования биотехнической системы проводилась на специально построенной многоступенчатой районированной выборке. Наблюдаемые промахи оператора в работе рассматривались как поток однородных событий или поток ошибок определенной интенсивности, которая и явилась определяющим критерием при оценке надежности оператора.

Основным показателем безошибочности является вероятность безотказной работы, которая может вычисляться как на уровне отдельной операции, так и на уровне процесса в целом.

Считая появление ошибки оператора событием, можно рассчитать плотность или интенсивность потока ошибок при выполнении опера-

ции по формуле:

= (26) \ Л/Т

где. - интенсивность потока ошибок на о -й операции; /V - общее число выполненных операций ¿' -го вида; К - допущенное число ошибок; Т - время наблюдения.

Тогда вероятность безошибочного выполнения операции можно найти по формуле:

ь 1

где 4 - заданное время работы.

Применяя формулу (27) для процесса в целом, получим: _ . -ЯопЬ

где А. о/? - ¿Д • " суммарный поток ошибок оператора Спара-¿=/ с метр потока);

Ь - время работы оператора на выполнении данного процесса.

Рассматривая отказы технической части системы и оператора как поток однородных событий,можем записать:

Или в развернутом виде:

о /_г.\ -\orit —(хм

ъ.м(ь)-е ■ е = е (30)

Положив Л-з = +Хоп ), получим

= 131)

При наблюдениях за работой 50 доильных установок в производственных условиях за 2 года нами было зарегистрировано свыше 10 тыс.отказов. В результате проведенных исследований было установлено, что имеется существенная разница в показателях надежности работы этих машин при обслуживании их специально подготовленными слесарями-наладчиками и рядовыми механизаторами.

Эти данные свидетельствуют о дополнительных резервах повышения надежности и эффективности работы машин при условии специаль-

ной подготовки обслуживающего персонала (рис. 5).

Н<)

0,2

Ул??> щ

ж щ

щ

Рис. 5. Графики вероятности безошибочной (безотказной работы) оператора:

1 - для обученного или тренированного оператора;

2 - для слабо подготовленного оператора

г ч

Если в процессе трудовой деятельности навыки и умения не будут получать необходимого подкрепления , то они постепенно будут угасать /4,5,10,20/.

В нашем эксперименте, на примере обучения операторов машинного доения, объем остаточной информации слушателей сразу после обучения составил 38&, спустя 3 мес. - 20, через 6 мес.- 4, через год - 3% (рис. 6) /8,1,3,6,22/.

Рис. 6. Динамика уровня остаточной информации и качества выполнения операций оператором машинного доения: - правильные ответы, %; Ъ - правильное выполнение операций, 1-2-уровень осведомленности до и после цикла занятий; 3-4-уро-вень качества выполнения операций до и после цикла занятий

и

ЧЛ

70

50

30

///

ч \ __ л.

г

т

У/У/л ■УУ//Г,

/

5 Т,*м

Под уровнем информированности или уровнем остаточной информации понимается усредненный процент правильных ответов обучаемых:

где ^ - уровень остаточной информации, %;

- количество правильных ответов на с -й вопрос по всем опрошенным; К - количество вопросов; N - число опрашиваемых.

Тогда объем остаточной информации, или критерий эффективности обучения, будет выражаться формулой:

Р=1г,~к>0, (33)

где - начальный уровень информированности; 1ь, - конечный уровень информированности. Все это говорит о необходимости поиска рациональной кратности проведения обучения. Для данной категории специалистов, в частности, рекомендуется проводить обучение два раза в год: в начале постановки скота на зимнее содержание и перед выгоном на пастбища.

2.2. Животное как элемент биотехнической системы

Установлено, что животное, как правило, сразу реагирует на лобые изменения в системе, что выражается прежде всего в снижении его продуктивности. В дальнейшем, по мере накопления изменений в организме, возникает то или иное заболевание и животное в большинстве случае выбывает из системы. Поэтому отказы машны и ошибки человека мы рассматриваем как события, имеющие последействия; которые протекают в биологическом звене. Следовательно, потоки отказов машины и человека будут поровдать суммарный поток отказов животного /10,20,44,55/.

Формула надежности животного имеет вид:

или

Тогда модель эффективности функционирования биологического звена (элемента) системы будет иметь вид:

о*®=(С17 ш^@тё<х;э (36)

24

где: (2?г- эффективность функционирования биологического звена (элемента);

(Рг ~ эффективность функционирования биологического звена при отсутствии отказов; - параметр потока эргатической системы;

Л: - коэффициент последействия потока С о ^К-^ 1 ).

В случае возникновения отказа машины время ее восстановления должно быть меньше допустимого физиологическими требованиями аи-вотногэ. Невыполнение этого условия приводит к снижению продуктивности животных.

По формулам (5,35,36) рассчитана эффективность функционирования животного за период однократного доения, т.е. к моменту времени £ = б мин при К = I, разовом удое животного 10 кг и достоверности 0,95 (рис. 7).

с а,т_ Рис. 7. Графики эффективности функционирования яи-вотного как элемента биотехнической системы:

1 - эффективность при отсутствии отказов в системе;

2 - 3-эффективность с хорошо и со слабо подготовленным оператором; 4, 5 - показатель эффективности функционирования животного (соответственно)

0,32 '

Ц90'

О 2 4 1, мин

Эффективность функционирования животного и, следовательно, системы с течением времени падает, и к моменту окончания дойки ( £ = 6 мин) все молоко взять не удается. В первом слу-

чае получим 9,35 кг, во втором - 8,30 кг. Чтобы взять оставшееся молоко, надо затянуть дойку до 8-9 мин, проведя соответствующую стимуляцию. Если этого не сделать, то молоко теряется, что мы и наблюдаем на практике. Согласно этим потерял, изменяется и показатель эффективности системы и составляет к концу дойки 0,93 и 0,83 соответственно.

<г$б

0,94

Это подтверждает, что при обосновании системы машин и отдельных технических средств следует прежде всего исходить из их надежности.

3. ПРИНЦШШ ОБОСНОВАНИЯ СИСТЕМЫ МАШИН В ЖИВОТНОВОДСТВЕ

На основе рассмотренной методологии и полученных математических моделей обоснование системы машин предлагается проводить с соблюдением ряда методических принципов, прошедших апробацию при подготовке предложений в федеральную и зональную системы машин /55/.

1. Систему машин в животноводстве следует рассматривать кал биотехническую "человек-машина-животное-среда" с учетом ее надежности и составляющих элементов.

2. Система машин в животноводстве должна рассматриваться как система с иерархической структурой, в которой каждый компонент может быть представлен как самостоятельная система (или подсистема), а сама она является одним из компонентов системы более высокого порядка.

3. Системы машин для выполнения технологических процессов

Iподсистемы) по их структурному отображению делятся: на простые системы, имеющие в своем составе одну технологическую линию; сложные ветвящиеся системы с однородной структурой элементов в линиях; сложные ветвящиеся системы, в которых технологические линии отличаются как по структуре входящих в них элементов, так и по выполняемым ими функциям. Такая классификация дает возможность дифференцированно подойти к каждому типу систем и оценить с помощью математических моделей возможность выполнения поставленной перед ними задачи к установленному моменту времени.

4. Количественная мера, определяющая степень соответствия результатов Функционирования системы целям, стоящим перед ней, оценивается с помощью показателя эффективности, представляющего отношение эффективности функционирования реальной и идеальной систем.

о. Надежность системы I подсистем) оценивается параметром потока отказов, который входит в модель оптимизации структуры и модель эффективности функционирования системы и выбирается из расчета минимальных потерь продукции от ненадежной работы системы.

Комплексная оценка системы осуществляется с учетом надежности человека, машины и животного.

Ь. Параметр потока отказов животного является функцией параметров потока отказов машины и человека (оператора) и зависит

кь

от квалификации последнего. Отказов животного считается событие, проявляющееся в снижении его продуктивности (производительности), вызванном отказами машины и оператора. Отказом оператора считается событие, заключающееся в нарушении предписанного ему алгоритма деятельности.

7. Лучший вариант системы машин животноводческого объекта выбирается методом перебора состояний по показателю эффективности, представляющего взвешенную сушу показателей эффективности составляющих подсистем.

8. Отбор технических средств в систему машин производится в два этапа:

первый этап - оценка качества технических средств дифференциальным, комплексным методом или с использованием генеральных определительных таблиц;

второй этап - оптимизация структуры систем на уровне процессов, вклпчающих отобранные средства.

9. Обоснование множеств комплектов машин проводится для типичных ферм. Далее такое множество упорядочивается по предпочтительности с помощью показателя эффективности или коэффициента технического уровня /34/.

Выполнение работ с соблюдением отмеченных принципов проводится с учетом направления развития техники по результатам поискового и нормативного прогнозов.

4. ОБОСНОВАНИЕ ЗОНАЛЬНОЙ СИСТЬМЫ МАШИН ДО ЖИВОТНОВОДСТВА

4.1. Выбор типичных хозяйств из генеральной совокупности

Выбор объектов-представителей или моделирование совокупности хозяйств региона конечным числом типичных хозяйств производится с помощью метода таксономии. Задача состоит в том, чтобы с помощью классификационных признаков разбить выборочную совокупность на конечное и, желательно, небольшое количество классов. Затем из класса выбрать представитель-хозяйство, обладающее свойствами, близкими к среднему значению класса (или к среднему значению группы, согласно коду градаций), которое принимается за типичное. В качестве классификационных признаков принимаются: производство молока на 100 га сельхозугодий, производство мяса на 100 га сельхозугодий, затраты труда на I ц молока в чел.-ч , затраты труда на I ц прироста живой массы в чел.-ч , энерговооруженность работника, кВт, плотность поголовья животных на 100 га

сельхозугодий, отношение площади угодий к пашне /8,9,14,17/.

Ъ нашем случае генеральная совокупность хозяйств Сибири была смоделирована 24 типичными хозяйствами (табл. I).

Из этих хозяйств, согласно организационных, технологических и технических требований выбираются животноводческие фермы в соответствии с типоразмерныы радом и на них проводятся дальнейшие исследования.

Таблица I

Основные показатели типичных хозяйств* (фрашент)

Показатель Колхоз Совхоз Совхоз Совхоз

"Гигант" "Погра- "Курский" "Рыбинск." ничный"

Номер однородной гр. I II Ш 1У

Произведено на 100 га:

молока, ц 87,1 114,4 108 75

76,6 107 94,1 74,4

мяса, ц П,I Н,1 11,1 11,7

12,7 II 12 15

Затрата труда в чел.-ч

на I ц: молока 11,6 7,6 8,4 9,9

12,4 8.4 7,7 9,3

мяса 52,1 37,9 47,5 37,5

56,2 40 43 39,9

Поголовье к.р.с. на 12,4 П,4 13 12,6

100 га с.-х. угодий 13,2 13,4 14,3 14,7

Энерговооруженность, кВт 25,7 26,1 39,3 29,7

24 33,1 50 25,4

Отношение пашни к пло- 1,5 1,7 1,4 1,6

щади с.-х. угодий 1,5 1,2 1,2 1,6

* В числителе указаны средние значения показателей группы, в знаменателе - показатели типичного хозяйства группы.

4.2. Оценка уровня качества машин

Уровень качества машины - относительная характеристика, основанная на сравнении совокупности показателей изделия с соответствующей совокупностью показателей базового образца.

ипенка уровня качества объединяет совокупность операций, зключагпдос выбор номенклатуры показателей качества, определение значений этих показателей и сопоставление их с базовыми.

С учетом имеющегося опыта эксплуатации сельскохозяйственной техники, нами отобраны У показателей (.критериев) из ¿2 имеющихся в нормативной документации и отражены в табл. 2. Эти показатели используются в дальнейшем при дифференциальном и комплексном методах и методе генеральных определительных таблиц оценки качества технических средств. Отбор и оценка значений показателей проводится с помощью метода экспертных оценок (табл. 3).

4.3. Оценка уровня качества технических средств с помощью генеральных определительных таблиц (ГОТ)

Этот метод представляет собой систему взвешенных характеристик изделия машины С объекта), преобразовывающих его качественное описание в обобщенную количественную оценку. С помощью ГОТ специалисты-эксперты устанавливают, к какой позиции по каждой характеристике показателя (критерия) качества относится оцениваемое изделие (табл. 4). По результатам оценки получают своего рода цифровую формулу V например, 4-5-3-4-4-0-2-1-7), в которой каждая цифра обозначает базисную оценку (номер характеристики в кавдом критерии) /11,17/.

Таблица 2

Основные показатели (критерии) .для оценки уровня качества с.-х. машин

Показатель

Характеристика показателя

I

Универсальность применения

Качество выполняемого процесса (работы)

Способность машины (технического средства) выполнять одновременно или в разное время несколько технологических процессов (операций) с требуемыми показателями качества

Способность машины (технического средства) выполнять технологический процесс в соответствии с заданными агрозоотехническими требованиями, обеспечивать условия для повышения продуктивности животных и растений, снижения потерь продукции

X

2

Окончание табл. 2

2

3. Энергоемкость технологического процесса

4. Трудоемкость технологического процесса (удельные затраты труда)

5. Материалоемкость технологического процесса

6. Экономичность технологического процесса

7. Экологичность технологического процесса

6. Надежность

9. Безопасность и комфортность условий труда

Способность машины выполнять заданный процесс при минимальных затратах энергоресурсов на единицу выполненной работы

Способность машины выполнять заданный процесс при минимальных затратах труда на единицу работы

Способность машины выполнять заданный процесс при минимальных затратах материалов на единицу работы

Способность машины выполнять заданный процесс при минимальных затратах денежных средств на единицу работы

Способность машины выполнять техпроцесс? не ухудшая окружающей среды (почвы, воздуха, водоемов)

Комплексное свойство, характеризующее способность машины выполнять заданный объем работ в установленный срок, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. (Целесообразно использовать показатели - срок службы, наработка на отказ)

Соответствие машины требованиям техники безопасности и физиологическим особенностям человека (по уровню шума, вибрации, температуре, запыленности, освещенности, усилиям на рычагах и т.п.)

Таблица 3

Нормированные значения критериев оценки качества машин по процессам

Критерий _Технологический процесс_

качества Поение Хранен.; Приго- Разда- Доение Первич.! Удале- ' Тепло- Взвеши- Содержал.

и тран- погруз, товле- ча коров обра- ние и снабже- ваше животных

спорти- и тран- ние кормов ботка утили- ние и и пере- и вспомо-

ровка спортир.кормов молока зация микро- возка гательн.

вода кормов навоза климат животных оборуд.

Производство молока и мяса

Качество работы 0,143 0,132 0,146 0,151 0,164 0,174 0,103 0,126 0,147 0,128

машин

Экологичность процесса Надежность машин 0,9 0,07 0,074 0,063 0,082 ОДП 0,145 0,106 0,049 0,102

0,203 0,122 0,125 0,151 0,159 0,144 0,132 0,126 0,127 0,133

Безопасность и комфортность условий труда 0,06 0,114 0,116 0,114 0,107 0,081 0,121 0,098 0,158 0,112

Энергоемкость процесса Затраты труда 0,128 0,112 0,134 0,110 0,103 0,126 0,119 0,154 0,080 0,070

0,100 0,126 0,116 0,117 0,144 0,107 0,116 0,078 0,152 0,164

Экономичность тех.процесса 0,103 0,118 0,101 0,103 0,097 0,103 0,103 0,120 0,090 0,102

Материалоемкость процесса 0,133 0,108 0,096 0,068 0,092 0,092 0,090 0,098 0,103 0,107

Универсальность применения 0,040 0,098 0,092 0,103 0,052 0,062 0,073 0,096 0,093 0,081

Таблица н

йакет генеральши определительной таблицы il'v-'i'i

характе- Фитерии и их характеристики 0ценка хар^теристики

ристши базисная окончательная

Первый критерий качества и

его вес &У_

Характеристики критерия

R ____"__________ 1 1

р 2 2 --------------

r -------------- п; n.s>

и ьторой критерий качества и t '

его вес ¿2__

Хаоактеристики коитепия

^ ------i i

р _ ._____________ 2 ^

р-------------- Г):

l и т.д. 6 1 ^

оатем вычисляется коэффициент полноты, характеризующий перспективность применения машины в данной зоне

Со '

где . Q - сумма окончательных и максимально возможных оценок-характеристик по всем критериям;

- порядковый номер характеристики в оценке к -то критерия, отмечаемый экспертом;

К - номер критерия;

П - максимальна0 базисная оценка характеристики (максимальный порядковый номер ее в каждом критерии);

- нормированное значение критерия качества Свес); tj - коэффициент полноты

принято считать, что при значении£Г= 0,46. ..О,со машина перспективна и при и,66.. - весьма перспективна.

мальнейший отбор машин в комплекты и технологические линии может осуществляться с применением морфологического метода или по моделям оптимизации^ рассмотренным ранее.

4.4. Формирование структуры системы машин

Система машин в животноводстве - это цат остная взаимосвязанная совокупность технических средств, обладающая определенной иерархической структурой, предназначенная для реализации принятых технологий производства продуктов животноводства.

3 соответствии с рассмотренными принципами обоснования систем разработана система машин для зоны Сибири на 1991-1990 гг., количественная характеристика которой приведена в табл. 5 /48, 50/.

При разработке системы ставилась задача сократить до минимума номенклатуру технических средств в ней, стараясь в то же время сохранить ее высокую эффективность /42,45,49,51,52.53,54/.

Ь процессе разработки системы учитывалась результаты исследований, выполненных в регионе, которые оценивались по единой методике, включающей этапы экспертной, экономической и комплексной оценки с использованием коэффициента полноты. 3 ней обобщены имеющийся научный и производственный опыт разработки системы машин .для зоны Сибири, а также материалы разработанного нами прогноза развития техники в животноводстве на период до 2010 года /12,21,23,24,25,28,34,36,38,39,40,41,42,43,47,56/.

Из выбранного количества машин в соответствии со структурной моделью сформированы подсистемы (комплекты) машин по процессам, отраслям, зоне (региону) и даны предложения в федеральную систему машин (рис. 8).

Таблица 5

Распределение технических средств в зональной системе машин по процессам

Процесс

лоличество технических средств для _Ферм, шт._

крупно- евино- овце- птице- малых всего го ро- вод- вод- вод- ферм марок

Поение животных и транспортирование воды

Хранение,выгрузка и транспортировка кормов

Приготовление корюв и кормосмесей

Раздача кормов

гатого чес- чес- чес-

скота ких ких ких

2 3 4 5 6 7

II 3 У 2 П 25

20 о 5 а 12 25

36 15 7 _ о 49

24 10 6 о 16 36

Окончание табл. 5

I 2 3 4 5 6 7

Доение коров 24 - _ «Г 14 31

Хранение и переработка про- 31

дуктов животноводства - - ' 8 10 52

Взвешивание, чистка и пе-

ревозка животных 8 2 3 9 1-1 с 18

Поиготовление и выпаива-

ние телятам ЗЦМ 14 - - - I 14

Содержание животных, вспо-

могательное оборудование,

пастьба 25 4 35 13 20 97

Уборка, транспортировка и 27

перевозка навоза 7 2 3 7 46

Оборудование для создания

и поддержания микроклима- 12

та 12 I 6 5 31

Водоснабжение ферм и

пастбищ 19 - - - - 19

Средства теплоснабжения и

энергетики 57 12 2 4 2 63

Зсего 308 70 70 ьа ±05 506

Система машин доя хг/лотмовсдчтьа ¡у страны

¿ональхые системы г*их

■ Сисп&кы лтки/г отраслей

I

I

II

¿1

1!

Рис. 6. Структурная модель системы машин для животноводства оибиои

Системы лашин &лр е&лотения' лрсцессое

И й

СГД

V

¿1 г

II 1

ААААААААА

ь настоящую систему всего включено о06 марок, из которых на фермы крупного рогатого скота приходится 308, на свиноводческие - 70, на овцеводческие - 70 и птицеводческие - 58.

Подсистема для малых ферм формируется в основном из того же марочного состава и поэтому не влияет на общее их число в системе.

5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате анализа показателей разработанной системы машин проведен расчет экономического эффекта от ее реализации (табл. 6).

Таблица 6

Экономическая эффективность зональной системы машин для животноводства

Показатель Молочное скотоводство Свиноводство Овцевод ство Птицевод ство

Приведенные затраты на I гол., р. , 314 228 30 25 7,6 7,4 2,5 2,3

Коэффициент освоения системы ОД ОД 0,1 од ОД 0,1 ОД ОД

Недостающий уровень комплексной механизации 0,17 С/7У МЗ

Поголовье в зоне, 4x00 5900 15200 128700

тыс.гол. 4100 5900 15200 128700

Годовой экономический эффект по зоне, млн.р. 6,0 0,24 0,21

Примечание. В числителе - базовый вариант, в знаменателе - новый.

Расчет проведен по Формуле:

(381

где 2, , 2^ - приведенные затраты при базовом и новом вариантах, р/гол,;

•V - поголовье животных в зоне, тыс.гол.;

К - коэффициент освоения новой системы машин за год, %;

Р - недостающий до 100% уровень комплексной механизации.

1(13 табл. 6 видно, что основной эффект получен в молочном животноводстве и свиноводстве, ь овцеводстве низкий эффект объясняется незначительным снижением приведенных затрат, а в птицеводстве - высоким насыщением его средствами механизации, поскольку недостающий уровень комплексной механизации в этой отрасли составляет всего лишь 3

Разработанная система обеспечивает в среднем снижение приведенных затрат на 20-25%, затрат труда на 10% и эксплуатационных затрат на 12%.

Расчеты показывают, что реализация системы машин в зоне Сибири при коэффициенте освоения ее 10% позволяет получить экономический эг№ект около 14 млн.р в год (в ценах 1990 г.).

ОБЩЕ ВьШДЪ

На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований решена крупная научная проблема по разработке методологии и методических принципов обоснования системы машин в животноводстве, имеющая важное народнохозяйственное значение. По результатам выполненного комплекса научно-исследовательских работ можно сделать следующие выводы:

1. Разработанная методология и принципы обоснования системы машин для механизации производственных процессов в животноводстве обеспечивают учет комплексного взаимодействия человека, машины, животного и среды.

2. При обосновании системы машин для механизации процессов в животноводстве она представлена как система машин с ветвящейся иерархической структурой, имеющей четыре ступени или уровня иерархии: первый уровень - системы для процессов; второй уровень -системы машин для отраслей; третий уровень - система машин для региона или зоны; четвертый уровень - система машин для страны или федерации. Оптимизация структуры систем должна проводиться

на первом уровне иерархии, т.е. на уровне процессов.

3. Предложенная классификация систем в животноводстве по их структуре, включающая простые системы, сложные ветвящиеся системы с однородной структурой элементов, сложные ветвящиеся системы с разнородной структурой элементов, биотехнические системы и разработанные математические модели оценки их эффективности позволяют дифференцированно подходить к обоснованию систем в поточно-технологических линиях для выполнения технологических процессов,

обеспечивая более строгий отбор технических средств и сокращение их номенклатуры в системе.

4. Математические модели .для оценки качества работы систем (комплексов) машин технологических линий с помощью показателя эффективности позволяют комплексно оценить работу системы, связывая ее надежность с показателями производительности и величиной ущерба при их снижении.

5. Показатель эффективности характеризует степень приближения системы к выполнению поставленной перед ней задачи в функции времени. Это позволяет выбрать систему машин, способную выполнить поставленную перед ней задачу за установленный временной цикл.

Так, например, для кормоприготовительных систем этот показатель должен быть не ниже 0,63; для систем кормораздачи 0,87; систем доения 0,93 при параметрах потока отказов 0,35; 0,20; 0,15 соответственно.

6. Математическая модель оценки эффективности системы (комплекса) машин животноводческого объекта (фермы), представляющая функцию показателей эффективности составляющих подсистем, позволяет выбрать из множества вариантов систем с разной структурой, но одного и того же назначения систему с наибольшим показателем эффективности.

7. Отбор машин в систему производится с оценкой их качества по принятым критериям (универсальность, надежность, материалоемкость и др.) с последующим вводом в модель оптимизации, в которой в качестве ограничения по надежности используется параметр потока отказов. Это позволяет прогнозировать состояние системы на любой заданный момент времени и не допустить ее выхода за установленные пределы.

8. Степень влияния животного как элемента биотехнической системы на эффективность ее функционирования определяется его надежностью или вероятностью функционирования без снижения продуктивности (вероятностью безотказной работы), которая оценивается по суммарному потоку отказов оператора и машины исходя из условия, что он подчиняется закону Пуассона. При этом вероятные минимальные потери в системе, т.е. недобор продукции из-за отказов животного, обеспечивается при параметре потока отказов животного не более 0,004.

9. Надежность оператора при выполнении цикла работ^не превышающего двух часов^, должна быть не менее 0,85; при параметре по-

тока отказов 0,074. Чтобы выполнить это условие, необходимо проводить оценку профессиональных знаний операторов два раза в год (при постановке животных на зимнее содержание и перед выгоном на пастбище).

10. Основные принципы формирования системы машин в животноводстве положены в основу разработки сибирской системы машин на I99I-I995 гг. и подготовки предложений в федеральную систему машин на период до 2000 г.

В сибирскую систему вошло 506 единиц вместо 578, она обеспечивает снижение приведенных затрат в среднем на 20-30%, затрат труда на 1% и эксплуатационных затрат на 12%.

Расчеты показывают, что реализация системы машин в зоне Сибири позволяет получить экономический эффект около 14 млн р. в год (в ценах 1990 г.).

Основные положения работы отражены в следующих публикациях:

1. Техминимум на фермах// Земля сибирская, дальневосточная.-1970.- № 2.- С.41-42.х

2. Оценка эффективности функционирования доильных машин с учетом их надежности// Науч.тр./ СибИМЭ.- Новосибирск, 1970.-Вып. 7, ч. I.- С. 10-15.

3. Памятка доярки.- Новосибирск: Зал.-Сиб.кн.изд., 1971.160 с. (Удостоена диплома третьей степени на Всероссийском конкурсе) .

4. Многоступенчатая районированная выборка// Науч.методы управления в сел.хоз-ве: Тез. докл. к Всесоюзн. науч.-техн.конф./ СибИМЭ.- Новосибирск, I97I.K

5. К методике исследования влияния профессиональной компетентности доярок на эффективность машинного доения// Науч.тр./ ВАСХНШ1. Сиб. отд-ние.- Новосибирск, 1971.- Т. 2, вып. ?, ч. 2.-С.198-217.

6. Памятка механизатора молочно-товарной фермы.- Новосибирск: Зап.-Сиб.кн.изд., 1974.- 180 с.

7. О некоторых резервах эксплуатационной надежности машин и эффективности их внедрения в сельскохозяйственное произво.дстзо// Науч. осн. автоматизированного управления в сел. хоз-ве: Науч. тр./ВАСШЛ. Сиб. отд-ние. СибШЭ.- Новосибирск, 1976.- С.65-69.

В. Уточненная методика оценки эффективности системы машин для комплексной электромеханизации процессов на фермах КРС Сибири// Науч.-техн.бюл./ СибИМЭ.- Новосибирск, 1977.- Вып. 3: Методические принципы оценки системы машин .для комплексной механизации растени-

еводства и животноводства.- С.22-32.

9. Некоторые вопросы построения системы машин для комплексной механизации производственных процессов в животноводстве Сибири// Проблемы специализации и концентрации сельскохозяйственного производства на базе межхозяйственной кооперации и агропромышленной интеграции в Сибири и на Дальнем Востоке / Материалы сессии СО ВАСХНИЛ и УП регионального совещания.- Новосибирск, 1977.-С.208-213.

10. К вопросу эффективности функционирования системы "человек-машина-животное"// Науч.-техн.бюл./ ВАСХНИЛ. Сиб.отд-ние. СибИМЭ.- Новосибирск, 1977,- Вып.4.- С.19-27.

11. Методические основы оценки перспективности технических решений в системе машин с помощью коэффициента полноты // Науч.-техн.бюл./СибШЭ,-1978,-Вып. I.- С. 12-18.

12. Сравнительная оценка эффективности автоматизированных систем машин для создания микроклимата// Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства в условиях Сибири: Сб. науч.тр./ ВАСХНИЛ. Сиб.отд-ние .СибИМЭ.- Новосибирск, 1980.-

С.117-120.*

13. Оценка работы технологических линий в системе кормопри-готовительных машин по показателю эффективности функционирования// Сиб.вест. с.-х. науки.- 19В0,- $ о.- С.83-87.*

14. Оптимизация структуры технологических линий в животноводстве с учетом параметра потока отказов системы// Сибирский вестник с.-х. науки,- 1981,—№ 5.- С.73-87.х

15. Система машин в животноводстве // Земля сибирская, дальневосточная.- 1981.- № II.- С.48-50.

16. Программа и методика проведения исследований по разработке системы машин для комплексной механизации животноводства и птицеводства на 1986-1995 гг. и уточнение прогноза развития техники на период до 2000 г./ ВйЗСХ.- й., 1981,- 50 е.*

17. Методика исследований по обоснованию и прогнозированию системы машин в животноводстве: Метол, рек ом./ВАСХНИЛ. Сиб. отд-ние.- Новосибирск, 1981,- 48 с.

18. Оценка эффективности функционирования ветвящихся систем технических средств для электромеханизации животноводства// Науч. тр. / ВАСХШЛ. Сиб. отд-ние. СибИйй,~1981.- С.78-87.*

19. Система машин для комплексной механизации животноводства в зоне Западной и Восточной Сибири на 1981-1985 гг.: Метод, реко-мендации//ВАСХНИЛ. Сиб.отд-ние. СибИмз.- Новосибирск,19а2,- 144 с.х

<0. Теоретические предпосылки оценки биотехнических систем в животноводстве// Науч.тр./ ВАСХШЛ. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, 1982.- С.50-66.

21. Основные направления исследований по системе машин в животноводстве // Науч.-техн.бш./ ВАСХНИД. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, 1983,-Вып. 27.- С.7-15.

22. Организация массового обучения сельскохозяйственных кадров по телевидению.- М.: Россельхозиздат, 1983.- 8 с.х

23. Прогнозирование развития системы машин в животноводстве// Науч.-техн. бюл./ ВАСХНИД. Сиб. отд-ние.-1965. - Вып. 28.- С.38-49.

24. Система машин для комплексной механизации животноводства// Машиностроение в Сибири: Материалы Всесоюзной конференции/ Академия наук СССР. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, 1985.- C.I29-I3I.

25. Зональные сменные рабочие органы и приспособления к сельскохозяйственным машинам: ОСТ 23.2.144-85'.- М.: Изд. станд,; 1985.*

26. Надежность системы машин и эффективность производства продукции животноводства// Биологические ресурсы и сельскохозяйственное производство: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса"/ Академия наук СССР. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, I9tio.- С.158-159.*

27. Система машин для комплексной механизации животноводства в зоне Западной и Восточной Сибири на I986-1990 гг.: Метод.рекомендации/ СибЙМЭ.- Новосибирск, 1965.- 150 с. х

2d. Методические указания по зональным сменным рабочим органам и приспособлениям к сельскохозяйственным машинам. (Система разработки и постановки продукции на производство). МУ 23.2.37.-b6. - м. j 1986.- 34 с.к

29. Методические принципы выбора системы машин для поточно-технологических линий в животноводстве// Науч.тр./ ВАСХШЛ. Сиб. отд ние.- Новосибирск, 1986.- С.36-41.х

30. Классификация системы технологических машин в животноводстве и модели оценки их эффективности// Сиб. вест.с.-х. науки.- 1986.- ?» 5.- С.80-85.

31. Методические указания по проведению исследований на 1986-1990 гг. по заданию 01.04.Д "Разработать и внедрить перспективные системы машинных технологических процессов и технических средств для завершения комплексной механизации растениеводства и животноводства" научно-технической программы 0.51.12./ Агропром СССР.- 1966.- 60 с.*

32. Аналитические основы системы машин в животноводстве// Науч.тр./ ВАСШЛ. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, 1986,- С.3-13.

33. Методические указания проведения исследований в 19361990 гг. по разработке прогнозов основных направлений развития комплексной механизации животноводства и птицеводства на период до 2010 г./ ВИЭСХ.- М., 1986.- 48 с.х

34. Прогнозирование и обоснование машинных технологий и технических средств в животноводстве// Механизация и электрификация сел. хоз-ва.- 1987.- № 3.- С.25-27.*

35. Иерархичность системы машин в животноводстве// Науч.-техн.бюл./ ВАОСНШ1. Сиб.отд-ние. СибйМЭ.- 1987.- Вып. 34.- С.33-37.

36. Технологические карты комплексной механизации производственных процессов в животноводстве: Метод. рекомевдации/ВАСХНИЛ. Сиб.отд-ние. СибйМЭ.- Новосибирск, 1987.- 84 с.х

37. Оценка эффективности функционирования поточно-технологических линий в животноводстве с учетом их надежности// Пробл. комплекс. механизации и автоматизации приготовления и раздачи кормов животным: Материалы науч.-техн.конф./ УНКИМЭСХ,- Киев, 1986,-С.Ш.

38. Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1986-1995 гг. 4.2: Животноводство / АгроНШТсИИТО,- М., 1988.- 520 е.*

39. Принципы комплектования технологического оборудования кормоцехов и кормокухонь при реконструкпии// Техника в сельском хозяйстве.- 1988.- № 4.- С.44-46.*

40. Комплексная механизация животноводства в хозяйствах Сибири: Рекомендации// ЗАСХНИЛ. Сиб.отд-ние. СибИМЗ.- Новосибирск, 1989,- 36 е.*

41. Механизация реконструируемых и малых ферм: Метод, рекомендации/ ЬАСХШЛ. Сиб.отд-ние. СибИйЭ.- Новосибирск, 1989.-

4а с.х

42. Экономическое обоснование многоотраслевой фермы с частично замкнутым технологическим циклом по энергоэкологическим критериям// Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе.- и.: ГКНТ СССР, 1У89.- С.130.*

43. Система инженерно-технического обеспечения агрокомплекса Новосибирской области до 1990 г./ ВАСХНИЛ. Сиб.отд-ние.- Новосибирск, 1989.- 86 с.*

44. Эффективность функционирования животного как элемента биотехнической системы// Науч.тр./ ВНШШ.- Подольск, 1989.-С.4-8.

45. Развитие системы механизации молочного животноводства Сибири// Научно-технический прогресс в агропромышленном производстве.- М.: 1КНТ СССР, 1990.- С.163-166.

46. Система ведения животноводства Новосибирской области на период 1990-1995 гг.: Рекомендации/ РАСХН. Сиб.отд-ние. СибНИШИЖ.-" Новосибирск, 1990,- 63 е.*

47. Тенденции развития механизации основных Производственных процессов в животноводстве// Науч.-техн. бюл./ ЗАСШШ. Сиб. отд-ние. СибИМЭ.- Новосибирск, 1990,- Вып. 3-4,- С.3-13.

48. Система машин для комплексной механизации животноводства в зоне Западной и Восточной Сибири на 1991-1996 гг.: Метод, рекомендации/ БАСХНШ. Сиб.отд-ние. СибИМЭ.- Новосибирск, 1990.180 с.х

49. Методологические основы формирования системы машин для подрядных коллективов в животноводстве// Науч.тр./ ВНИШЖ,—

1990.- С.162-167.

50. Система машин для животноводства Сибири на 1991-1995 гг. и концепция ее развития// Науч.тр./ РАСХН. Сиб.отд-ние. СибИМЭ.-Новосибирск, 1991,- С.3-15.

51. Планировочные решения и система механизации молочных ферм в помещениях арочного типа// Науч.тр./ ВНИИШ.- Подольск,

1991.- С.38-48.х

52. Молочная ферма для арендных коллективов на базе модуля арочной конструкции: Тематический обзор материалов республиканского конкурса по комплексной механизации ферм КРС. Ч.З/ МИ РСФСР,- М.; 1991.- С.32-41.*

53. Концепция развития механизации,-электрификации и автоматизации сельскохозяйственного производства России на 1995 год и на период до 2000 года.- 14.: РАСХН, 1992.- 168 с.55

54. К обоснованию типоразмерных рядов крестьянских хозяйств Сибири// Науч.тр./ аНШМ,- Подольск, 1992.-С.40-45.

55. Научно-методические принципы обоснования системы машин в животноводстве.- Новосибирск, 1993.- 82 с. (монография).

56. Азбука фермера.- М.: Колос, 1994.- 60В с.к

57. Обоснование параметров быстросъемных устройств рабочих органов мобильного комбинированного агрегата// Науч.тр./ РАСХН. Сиб.отд-ние. СибИМЭ.- Новосибирск, 1994,- С.81-92.*

58. Экспериментальные исследования мобильного комбинированного агрегата// Науч.тр./ ВНИИШ.- Подольск, 1994.- С.15-25.*

59. A.c. I29I092 (СССР). Кормушка для животных/ Н.С.Яковлев, В.А.Стремнин, А.И.Колесов.- Заяв. 26.06,65 № 3915856/3015: МКИ A0IK5/0I. Бюл. № 7, 1987.- 4 с.

60. A.c. 1349742 (СССР). Дозатор кормов/ Н.С.Яковлев,

В.А.Стремнин.- Заяв. 25.12.85 3 4079129: МКИ AOI K5/0I. Бюл.№ 41, 1987.- 4 с.

61. A.c. 1395233 (СССР). Раздатчики кормов/ Н.С.Яковлев, В.А.Стремнин.- Заяв. 22.05.85 № 3899232. Опубл. 15.05.88. Бол. №18.-4 с.

62. A.c. 1435222 (СССР). Передвижная кормушка для животных/ Н.С.Яковлев, В.А.Стремнин, А.С.Вагин.- Заяв. 27.05.87 № 424820. Опубл. 07.11.88. Бюл. № 41.- 4 с.

63. A.c. I4I9639 (СССР). Кормушка для животных/ Н.С.Яковлев, В.А.Стремнин, А.А.Уханев.- Заяв. 27.11.86 Ji 4180426. Опубл. 30.08.88. Бюл. № 32.- 4 с.

64. A.c. I72404I (СССР). Сцепка/ В.Г.Никонов, В.А.Стремнин, Н.С.Яковлев, С.А.Баженов.- Заяв. 05.07,89 № 4714549, Опубл. 07.04.92. Бщ. № 13.- 4 с.

х - работа опубликована в соавторстве .

У

Подписано к печати 25.09.35г. Формат 60x84 1/16 Объем 2 п.л. Заказ № 594 Тираж 100 экз.

Редакционно-полиграфическое объединение иО РАСХН, ротапринт 633128, Новосибирская область, п. Краснообск